基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计毕业设计Word文档格式.docx
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第一章绪论
1.1引言
道路清扫机是道路养护机械中的主要机械之一,随着城市道路事业的发展和技术进步,道路清扫工作作为保证道路的通过能力,延长道路使用寿命的主要技术手段越来越重要。
为了完成清扫任务降低劳动强度,提高清扫速度和工作质量,这项工作逐步由人工向机械转化。
近年来,国内外清扫机械的发展较快,并且已经达到先进水平,实现了道路清扫机械化,智能化。
国内有厂家引进了国外先进吸扫式清扫机工作装置的生产技术,与国产汽车底盘配套生产清扫机,大大提高了国产清扫机的技术性能。
基于单片机的智能巷道清扫机是当前清扫机研究的前沿和热点,随着科学技术的发展及城市的发展,就很有必要发展智能化,自动化的道路清扫机。
清扫装置控制系统和清扫部件是决定清扫机性能的最重要部分,其性能好坏决定着清扫车的清扫效率。
因此合理设计清扫装置控制系统和清扫部件并提高其性能是清扫机设计的关键。
1.2技术现状及发展趋势
随着城市建设的迅速发展,国家对环境保护和市容提出了越来越高的要求。
城市人工清扫的传统作业方式在部分大中城市中,正在逐渐地为机械化清扫所代替。
特别是一些城市的特定场所或高新小区内。
清扫机作业正在形成一种趋势。
目前,我国有几个厂家生产清扫机。
单从原理到结构,只相当于发达国家70年代水平。
即在通用汽车底盘上加装扫路机构组成,均为双发动机与同等清扫能力的国外先进机型相比,结构庞大、复杂,功能少,技术性能和可靠性差。
与国外先进技术水平形成鲜明对比。
国外清扫机技术现状:
国外清扫机发展起步较早,技术较先进。
自从英国的JOHNSTON公司1904年设计出马拉的扫路机,美国的ELGIN公司于1914年研制出该公司第一部人力蹬踏的三轮扫路机以来,国外清扫车一直在孜孜不倦地提高其机械化水平。
以美国ELGIN清扫机为例,其智能化的控制、优越的性能、简单的控制操作、可靠的使用,对采用传统机械操作方式的清扫机来说无疑是一次技术上的革命。
ELGIN清扫机功能动作设计有57项之多,内容包括了清扫机工作过程中所遇到的一切问题。
有清洗与吸水功能、喷洒水功能、吸泥管抽吸功能、垃圾箱倾倒功能、警示功能、记忆功能、自保护功能、检测功能等。
要把以上诸多功能动作由分离变成组合,把个别无规则的变成有序的程序工艺,进而成为一个智能型机械。
ELGIN清扫机利用了传感检测技术及计算机技术。
在ELGIN清扫车上使用了各种各样的传感器件,具体分布有:
润滑油—压力传感器,副发动机—温度传感器、转速传感器,垃圾箱—荷重传感器、物位传感器、倾角传感器,清扫用水—液位传感器,重车用电—电量传感器,发动机转速显示—计数式数字量传感器。
通过以上各种传感器件的使用,得到清扫机控制所需要的各种信息,这些信息被送到控制器,由控制器进行存储、运算、变换、加工等处理,发出相应命令通过执行机构,使清扫车的机械本体完成规定动作。
在这里,控制器的作用犹如人的头脑一样。
ELGIN清扫机的高技术部分主要体现在控制器的硬件及软件的设计上,并使之成为一个完整的机电一化系统,该系统具有若干个输人和输出,满足了清扫机57项功能需要,闭环系统又设计了反馈,即从清扫控制过程的输出获得各种信息,又返回到输人端,从而形成一个闭环系统,通过清扫过程的微机控制,实现对清扫过程中各任意组合的清扫状况的控制。
国内清扫机技术现状:
国内清扫车研制起步较晚,清扫机的机电一体化程度与国外相比相对落后。
80年代以后,国产清扫机基本上采用了国外80年代的先进技术,如真空技术、液压技术、电液操作等技术。
清扫机的机电一体化水平相对有所提高。
然而作为机电一体化技术的核心的技术—计算机技术以及直接制约和影响自动化技术发展的传感检测在国产清扫车上却几乎没有应用,这些大大制约了国内清扫车机电一体化的发展水平。
国产清扫车机电一体化的实现结合科研课题,我们针对国产清扫机的技术现况进行了技术改造。
在原车的基础上综合利用计算机控制、传感检测等技术,以提高其机电一体化水平。
具体进行了以下几个方面的工作。
1、对清扫工况实现智能控制
2、根据被控对象及其工作环境和工作特点,对该清扫机的以下几个部分进行了监控:
(1)水箱水位显示、报警
(2)发动机转速显示、极限转速报警
(3)料箱料重的显示、极限报警
(4)吸尘系统真空度监测、报警
3、使清扫机具有某种记忆功能,能清楚反映总的清扫路程及本次清扫路程,使清扫机在清扫过程中实现自动避障。
航空工业总公司第二研究院所在考察了各国先进机型的基础上,将其优点融为一体,自行研制成功QSJ4-1型城市道路清扫机,通过了国家权威机构的性能测试和部级鉴定。
其某些技术为国内首创,综合性能为国内领先,达到了90年代国际同类产品的水平。
现已投入小批量生产。
QSJ4-1型清扫机使用单台发动机,同时为行驶和作业提供动能,于双发动机机型相比,省掉了一套传动系统所占的大量空间,减轻了清扫机装备质量,从而使承载容积和载荷能力大大增强(荷重比1:
2),减少了噪声,降低了成本。
但是次清扫机没有达到智能化、信息化的要求,技术水平较国外落后。
1.3本文研究的内容
智能巷道清扫机是一种先进的路面清洁工具。
本文的任务,就是对其进行硬件电路的实现。
本课题主要研究的内容有:
(1)通过传感器电路知识的学习及应用和单片机控制技术以实现智能清扫机的自主避障功能。
(2)以AT89C51单片机作为检测和控制核心,完成驱动系统和电机调速系统的设计。
(3)学习红外遥控系统的发射和接收系统,完成智能清扫机的红外控制系统
设计,实现清扫机的局部自主控制功能。
(4)查找显示电路相关资料,完成智能清扫机时间及行驶速度的显示。
(5)在各电路模块设计的基础上完成智能清扫机整个系统的设计,对智能清扫机体系中的重要环节进行实际调试。
第二章智能清扫机各系统分析
2.1智能清扫机传感器系统分析
传感器系统是清扫机的感觉器官,负责采集环境障碍物和自身状态的信息,是清扫机的重要组成部分,由多传感器及相关信号处理电路组成。
在非结构化环境下,传感器系统为清扫机的正常工作发挥着无可替代的作用。
清扫机传感器系统的性能越好,自动避障和路径规划方案就越容易实现,控制系统的程序就更容易编写和执行,清扫机系统的整体性能也就越好。
移动机器人传感器系统常用的传感器大致可以分为内传感器和外传感器两大类。
内传感器主要用于采集系统自身状态的信息,比如速度、加速度、轨迹、位置等。
这类传感器主要有测速发电机、加速度计、编码器、陀螺仪、电子罗盘等。
外传感器负责采集系统外部环境信息,比如图像、距离、受力等。
这类传感器包括CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、力传感器等。
清扫机传感器系统的主要任务是提供工作环境下的障碍物信息,以实现机清扫机的自主避障。
由此可见,传感器的选择直接关系到清扫机自动避障策略的选择和执行质量。
对工作环境下的障碍物信息,可以通过外部传感器获得,移动机器人上常用的探测障碍物的传感器主要有超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器和视觉传感器等几种。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
超声波传感器通过计算超声波的发射接收时间间隔实现定量测距。
超声波传感器波束较宽,方向性差,但是其环境适应能力强,探测距离远,采集信息速度快,且比一般视觉传感器和激光测距仪都要便宜,因此在许多方面得到广泛应用。
红外光电传感器具有探测视角小、方向性好、信号处理简单和反映速度快等优点,但是其受环境影响较大,当探测头被灰尘等污染后,其探测性能将大大下降。
红外光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。
红外光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
红外光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,它的探测距离比较近,从几个毫米到几十厘米不等。
因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
接触传感器通过与被测物体的接触来确定被测物体的相关信息,如物体的存在与否、物体的形状和位置、接触面的压力分布及大小等等。
接触传感器主要有限位开关、接触开关等,这些传感器结构简单、信号易处理、适应能力强且价格低廉。
由于超声波传感器、红外光电传感器和接触传感器都具有价格低廉、工作可靠、速度快等优点,因此广泛应用于移动机器人的局部导航。
经过对比分析,本设计方案采用超声波传感器、红外光电传感器和接触开关、三种传感器来构建清扫机器的传感器系统。
将这些传感器合理布置在清扫机周边位置上,通过相应的信号处理电路与微处理器系统实现数据通讯,控制系统根据获得的传感器系统信息做出避障决策,实现自主避障。
2.2智能清扫机控制系统分析
本设计以AT89C51单片机作为检测和控制核心来控制驱动器。
并采用了PWM技术对电机进行控制,通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
2.2.1驱动系统
驱动器就是驱动清扫机的动力部件,最常用的是电机了。
当然还有液压、气动等别的驱动方式。
一个清扫机最主要的控制量就是控制清扫机的移动,清扫机驱动器中最根本和本质的问题就是控制电机,控制电机转的圈数,就可以控制清扫机移动的距离和方向,清扫机械的弯曲的程度或者移动的距离等。
所以,第一个要解决的问题就是如何让电机能根据自己的意图转动。
一般来说,有专门的控制卡和控制芯片来进行控制的。
有了这些控制卡和芯片,我们所要做的就是把微控制器与其连接起来,然后就可以用程序来控制电机了。
第二个问题是控制电机的速度,在机器人上的实际表现就是机器人或者手臂的实际运动速度了,机器人走的快慢全靠电机的转速,这样,我们就要求控制卡对电机有速度控制。
电机目前常用的有两种,步进电机和直流电机。
下面我将就这两种电机进行介绍:
1、直流电机:
这是最最普通的电机了。
直流电机最大的问题是你没法精确控制电机转的圈数,也就前面所说的位置控制。
你必须加上一个编码盘,来进行反馈,来获得实际的圈数。
但是直流电机的速度控制相对就比较简单,用一种叫PWM(脉宽调速)的调速方法可以很轻松的调节电机速度。
现在也有很多控制芯片带调速功能的。
选购时要考虑的参数是电机的输出力矩,电机的功率,电机的最高转速。
2、步进电机:
看名字就知道了,它是一步一步前进的。
也就是说,它可以一个角度一个角度地旋转,不像直流电机,你可以很轻松的调节步进电机的转角位置,如果你发一个转10圈的指令,步进电机就不会转11圈,但是如果是直流电机,由于惯性作用,它可能转11圈半。
步进电机的调速是通过控制电机的频率来获得的。
一般控制信号频率越高,电机转的越快,频率越低,转的越慢。
选购时要考虑的参数是电机的输出力矩,电机的功率,每个脉冲电机的最小转角。
还有就是关于输出的动力,要说明一下:
一般情况下,电机都没法直接带动轮子或者清扫机械,因为速度过高力矩不够大,所以我们需要加上一个减速箱来增加电机的输出力矩,但是代价是电机速度的减小,比如一个1:
250的齿轮箱,会让你电机的输出力矩增大250倍,但是速度只有原来的1/250了。
首先计算出清扫机所需要的速度与力矩大小,然后根据速度与力矩去选择电机与减速器。
2.2.2电机调速系统
清扫机需控制在一个合适的速度行驶,速度太快,因单片机对各传感器传来的信号有一个响应、处理时间,清扫机极易碰撞造成损坏。
清扫机的速度是由后轮直流电机转速控制,改变直流电机转速通常采用调压、调磁等方式来实现。
其中,调压方式原理简单,易与实现。
图2.1PWM调制电路
采用由晶体管组成的H型PWM调制电路。
用单片机控制达林顿管,使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高;
H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;
电子开关的速度很快,稳定性也极佳,是一种广泛采用的PWM调速技术。
通过图2.1所示PWM调制电路,用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调状态,实现调速。
PWM各工作方式的选择:
1、PWM调速工作方式:
方案1:
双极性工作制。
双极性工作制是在一个脉冲周期内,单片机的两个控制口各输出一个控制信号,两信号高低电平相反,两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。
方案2:
单极性工作制。
单极性工作制是单片机控制口的一端置低电平,另一端输出PWM信号,两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。
由于单极性工作制电压波形中的交流成分比双极性工作制的小,其电流的最大波动也比双极性工作制的小,所以我们采用了单极性工作制。
2、PWM调脉宽方式:
调脉宽的方式有三种:
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式,因为采用这种方式,电动机在运转时比较稳定;
并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
3、PWM软件实现方式:
采用定时器作为脉宽控制的定时方式,这一方式产生的脉冲宽度极其精确,误差只在几个us。
采用软件延时方式,这一方式在精度上不及方案1,特别是在引入中断后,将有一定的误差。
但是基于不占用定时器资源,且对于直流电机,采用软件延时所产生的定时误差在允许范围,故采用方案2。
PWM实现硬件如图2.1所示,软件过程为:
令单片机P1.7口为低电平,P1.6口为高电平,此时Q1、Q4导通,Q2、Q3截止,电动机正常工作。
改变P1.6口高电平周期,即改变PWM调制脉冲占空比,可以实现精确调速。
脉冲频率对电机转速有影响,脉冲频率高连续性好,但带负载能力差;
脉冲频率低则反之。
经实验发现,脉冲频率在30Hz以上,电机转动平稳,但小车行驶时,由于摩擦力使电机转速降低很快,甚至停转;
脉冲频率在10Hz以下,电机转动有跳跃现象,实验证明脉冲频率在25~35Hz效果最佳。
我们选取脉冲频率为30Hz。
2.3红外遥控系统分析
红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。
由于红外遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点,因而,继彩电、录像机之后,在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。
工业设备中,在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下,采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
为此,在本课题设计中采用红外遥控装置来控制智能清扫机的清扫方式及开机与关机。
通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成,应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作,如图2.2所示。
发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器;
接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。
红外接收芯片选用TFMS5380。
在遥控器上使用单片机进行红外功能编码,在清扫机上,由于单片机处理任务很多,因此选用专用的解码芯片。
解码芯片是REALTEK公司生产的一种用于遥控小卡车的CMOS大规模集成电路RX6B,它有七个控制键来控制小卡车的移动。
由于编码和解码的振荡频率必须一致,频率的大小由OSCI和OSCO之间的电阻决定。
4个红外接收管的信号通过与门与芯片的输入端SI相连,使得解码芯片在接收到任意方向的红外线信号时都能正常工作。
遥控发射器
遥控接收器
图2.2红外遥控系统
第三章系统硬件电路设计
3.1系统总体设计方案和框图
本设计以AT89C51单片机作为检测和控制核心。
用超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器完成自动避障。
用光电编码器检测电机的转速。
利用PWM(脉宽调制)技术动态控制电动机的转动方向和转速。
通过软件编程实现清扫机行进、执行清扫任务、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。
通过对电路的优化组合,可以最大限度地利用AT89C51单片机的全部资源。
P0口用于数码管显示,P1口用于电动机的PWM驱动控制,P2、P3口用于传感器的数据采集与中断控制。
这样做的优点是:
充分利用了单片机的内部资源,降低了总体设计的成本。
总系统框图如图3.1所示。
图3.1硬件设计总框图
3.2主机电路核心器件介绍
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存取数据存储器(ROM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。
功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
3.2.1AT89C51主要性能参数
.与MCS-51产品指令系统完全兼容
.4K字节可重擦写Flash闪速存储器
.1000次擦写周期
.全静态操作:
0Hz---24MHz
.128×
8字节内部RAM
.32个可编程I/O口线
.2个16位定时/计数器
.6个中断源
.低功率空闲和掉电模式
3.2.2AT89C51功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能:
4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/0口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2.3AT89C51引脚功能说明
图3.2AT89C51芯片
.VCC:
电源电压
.GND:
地
.P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
.P1口:
P1口是一个携带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
.P2口:
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲
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